現場總線技術在百萬火電機組中的應用

曹乃琰

（國電集團有限公司寧夏分公司，銀川750002）

1 引言

國內首個在百萬火電機組控制系統中應用現場總線技術的是華能金陵電廠，在這之后的10年，隨著技術的日新月異，到國電寧夏方家莊電廠2臺一百萬火電機組工程已成功實現了全廠現場總線技術與國產DCS的成功組合，全廠現場總線測點與常規的硬接線I/O測點占比經測算已達到了70%以上，希冀通過本文的闡述，能對其他類似火電廠工程在前期策劃、初步設計、設備選型、過程施工管理和安裝調試等方面有所幫助。

2 現場總線工程應用過程

國電寧夏方家莊電廠2×1000MW超超臨界火電機組1#機組于2018年9月整套啟動，2#機組于2019年4月整套啟動，7月份通過168h試運。2臺超超臨界百萬機組現場總線控制系統選用的是西門子公司Profibus總線協議，DCS控制系統選用的是國電智深控制技術有限公司的EDPF-NT-Plus 3.3系列，首次搭載了國電智深公司的PB通訊卡，通過PB卡的協議轉換成功實現了DCS與FCS的結合。上述組合方案提供了對現場智能儀表和控制執行機構的全局意義上的控制，自項目帶電調試實施以來，FCS和DCS兩個系統的運行均十分穩定，未發生一般及以上通訊問題，大大提升了火電廠控制系統數字化的水平，節約了工程造價。

2.1 現場總線技術應用原則

主控網應用FCS原則：（1）對鍋爐、汽機本身的運行安全有重大影響的系統，仍采用傳統的DCS硬接線和I/O設備；（2）從現場直接采集的DAS信號全部采用FCS的儀表、設備；IDAS信號采用Profibus-DP接口的遠程智能前端采集通訊至DCS的方式；（3）SOE 采用常規 DCS 采集方式；（4）FSSS 中磨煤機系統執行機構設備和信號采用FCS（FSSS保護信號除外）；（5）汽機數字電液控制系統(DEH)，采用常規控制方式。

輔控網絡應用FCS原則：（1）水網主要包括：鍋爐補給水系統、凝結水精處理系統、雨水泵房系統、工業廢水處理系統和其他系統等，水網通過交換機光纖接口連接，與灰網和輸煤系統組成全廠輔控網；（2）灰網除空壓機以外全部采用FCS控制方式；（3）運煤控制系統主要包括輸煤及煤水系統，其中，包含從煤場到各級轉運站、碎煤機室最終到煤倉間的各級控制，目前輸煤系統接入總線有兩種方式，電力線載波和分布式I/O（就地I/O模塊采集數據，與DPU通過Profibus-DP協議通訊控制）；（4）脫硫、脫硝系統采用現場總線技術；（5）公共氨區采用常規DCS控制方式。

2.2 網段設計原則

冗余設置的現場儀表應接入不同網段,工藝上并列運行或冗余配置的設備，其相關驅動裝置應連接在不同的網段上?？刂崎y門和其旁路閥門應連接到不同的現場總線網段；控制邏輯相關的儀表和控制對象原則上掛接在同一總線網段上；同一工藝系統的電動機和電動執行機構原則上一般連接在同一DP總線上。

對于Profibus總線，現場總線模件可以設定不同的總線速率以適應不同的處理器應用功能。除了現場總線固有的總線速率限制，現場總線網段超出一個建筑物的情況下總線傳輸速率應不小于500kbps。

對于Profibus-DP總線，每個網段上掛接的現場總線設備數量應不超過10個，每個Profibus主站下掛接的DP從站設備數量不可超過16個，且所有Profibus網段中不能裝設中繼器,如需擴展應通過增加DP主站實現。

對于所有Profibus-PA總線網段，應用于控制時，每個網段掛接的現場總線設備數量不得超過6個，且同一網段上掛接的閥門數量不超過2個；當用于非控制目的時，每個網段掛接的現場總線設備數量不得超過12個。每個DP/PA LINK（占用總線地址，速率最高12MB/s）下帶的Pacoupler不占用總線地址，但降速率運行）數量不超過3個。

為了發揮現場總線技術的本質性優越性，應配置性能優良的現場總線儀表和設備診斷、維護、管理軟件。軟件應能夠對現場總線各層網絡節點、網橋設備、各支路（或網段）的儀表、設備進行診斷、監視、參數設定和調整、校驗等。同時向用戶開放可用于二次開發的數據結構、工具、功能接口等。

3 工程設計及實施過程中可能遇到的問題及解決辦法

3.1 網段設計

DCS廠家為節省卡件及光纜、通訊電纜的用量，在設計中通過中繼器擴充網段的帶載能力，會造成同一網段掛接了多個系統的大量關鍵設備，一旦網絡中出現斷點，會影響多個系統的正常運行。

解決方法：在招標文件、技術協議中，明確要求其網段設計要按照技術要求中的設計原則進行設計，現場總線網段的設計應可靠、每個網段上掛接的設備數量不能超過16臺，每個通訊主站只能接兩個主干網絡，若需要擴充網段，必須采用增加通訊主站的方式，網絡中盡量少的采用中繼器來擴充網絡的帶載能力。

3.2 光纜、通訊電纜敷設與熔接

采用現場總線技術后，現場的大部分控制電纜被光纜及通訊電纜所替代，敷設普通電纜與光纜的技術要求也不同，現場施工中施工人員不能很好地區分控制電纜和光纜，可能會出現光纜安裝彎曲半徑過小，光纖折斷，熔接光纜時，只熔接連接網段的1芯或者2芯，備用芯不進行熔接；通訊電纜（DP/PA電纜）在敷設過程中與動力電纜敷設在同一槽盒內，當大功率設備啟動時，會造成強烈的干擾，影響正常通訊。

解決辦法：在電纜敷設前對施工人員進行技術交底，敷設時不得隨意彎折光纜，光纜長度與實際需求一致，光纜兩端留少量余量，中間不得有接頭，每條光纜長度不宜超過1000m。本工程現場總線采用4芯光纜，最小安裝彎曲半徑不小于5.08cm，最大安裝應力不應超過45kg。光纖熔接時，4芯光纜必須全部熔接，兩芯作為備用；Profibus電纜最小彎曲半徑75mm；多個彎曲，半徑≥150mm。若彎曲半徑小于此數據，則將對Profibus電纜造成損壞并改變其電氣特性。

3.3 智能設備與D CS不兼容

根據國內部分電廠FCS實施出現的問題來看，智能設備與DCS系統兼容性也是工程能否順利實施的關鍵問題之一。例如，某廠在設備到貨前，未進行DCS兼容性測試，導致到廠的設備不能與DCS正常通訊，由于智能設備大多為進口設備，采購周期較長，因此，延誤工期3～4個月。

解決辦法：在設備招標采購時，要求設備廠家所供的智能設備在供貨前必須將同批次設備樣品送至DCS廠家進行兼容性測試，由DCS廠家出具兼容性測試報告，凡不兼容的設備，由供貨廠商整批次免費更換，并承擔工程建設的相應經濟責任。

4 結語

現場總線控制技術是未來發展的趨勢，這一點不容置疑，但現場總線控制技術目前不是非常成熟，取代DCS控制系統尚需時日。未來隨著現場總線技術的迅速發展，不僅會降低企業的初期投資，其更深層次的開發應用對于將來的維護管理也會帶來很可觀的經濟收益。